Intelligens Rendszerek Elmélete 2
Biológiai érzékelők és tanulságok a technikai adaptáláshoz http://uni-obuda.hu/users/kutor/
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/1
2012. ősz
A természetes idegi hálózatok specializáltak
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/2
Az elemzés területei
A hálózat típusa meghatározza a működést (nem univerzális!)
A biológiai érzékelés alaptörvényei Információ feldolgozás és továbbítás az idegrendszerben
Érzékszervek a bőrben Látás Hallás Fej-, és testhelyzet érzékelés Kémiai anyagok érzékelése (illat) „Brodmann” agyterületek 2012. ősz
http://spot.colorado.edu/~dubin/talks/brodmann/brodmann.html
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/3
Az érzékelés alapfogalmai
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/4
A testfelszín agykérgi (receptív) mezői
Modalitás: Fokozott érzékenység a különböző ingerfajtákra Abszolút ingerküszöb: A legkisebb érzékelhető ingerintenzitás Relatív ingerküszöb: A legkisebb érzékelhető ingerváltozás Adaptáció: Hozzászokás az ingerhez Ingerelhetetlen (refrakter) állapot: (abszolút, relatív) Erős ingerlés után az érzéksejt nem reagál Frekvencia moduláció: Az ingerület frekvenciája az ingernagysággal arányos
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/5
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/6
Az idegsejtek típusai
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Idegsejt hálózatok és idegpályák
IRE 2/45/7
Dr. Kutor László
2012. ősz
Központi ideghálók (Emberi agyak keresztmetszeti képei)
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
2012. ősz
Az érzéksejtek működése [mV] 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 2012. ősz
receptor
Dr. Kutor László
IRE 2/45/8
Az ingerület keletkezése
IRE 2/45/9
Dr. Kutor László
Óbudai Egyetem, NIK
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/10
Az erős ingerlés hatása
axon
K+ Na +
t
Akciós potenciál Negatív utópotenciál Pozitív utópotenciál
Ingerküszöb Nyugalmi potenciál
depolarizáció Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/11
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/12
Az érzékelhető ingerintenzitás törvényei 1. Weber törvény
k=
Az érzékelhető ingerintenzitás törvényei 2.
Erns Henrik Weber (1834)
ΔI I
Gustav Theodor Fechner (1860)
Weber - Fechner törvény
É = k * log (I)
Szokásos jelölése: k = ΔΦ / Φ ΔI = Relatív ingerküszöb (ΔΦ) (éppen észrevehető inger intenzitás változás) I = inger intenzitás (Φ)
Szokásos jelölése: Ψ = k log (Φ)
É = érzet intenzitás (Ψ) k = konstans I = inger intenzitás (Φ)
k =konstans, értékei különböző inger modalitásoknál látás 0.079 hallás 0.029 nyomás 0.022 ízlelés 0.083 elektromos áramütés 0.013 2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/13
2012. ősz
É=k*
(I/Ik)n
Dr. Kutor László
IRE 2/45/14
Az érzékelhető ingerintenzitás 3.
Az érzékelhető ingerintenzitás törvényei 3. Stevens törvény
Óbudai Egyetem, NIK
Stanley Smith Stevens (1906-1973)
Példák a Stevens törvényre
I = inger intenzitás Ik = abszolút ingerküszöb
Weber - Fechner törvény
É = k * log I + c példák: inger hangerő fényerő sósság édesség hőmérséklet áramütés 2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
n ~ 0.3 ~ 0.5 ~ 1.3 ~ 1.5 ~ 1.6 ~ 3.5
IRE 2/45/15
2012. ősz
Látás
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/16
Az emberi látás jellemzői Érzéksejtjei:
csapok, számuk: ~ 7 * 106, szín („photopiás”) látás jól megvilágított tárgyak részleteinek látása: pálcikák, számuk: ~ 130 * 106, szürkületi („scotopiás”) látás Abszolút ingerküszöb: 10-9 cd/m2, fájdalom: 105 cd/m2 Fényintenzitás értékek: Holdmentes csillagfény 10-6 – 10-4 Erős holdfény 10-3 – 10-1 Fehér papírlap kényelmes olvasáshoz 10-1 -102 Fehér papírlap teljes napfényben 103 - 104 Izzólámpa szála 106 – 107 ívfény 108 napkorong 109 Atombomba robbanás (első 3 ms) 1010 2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/17
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/18
Színérzékelő csapok a retinában
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
A csapok és pálcikák eloszlása a retinán
IRE 2/45/19
Dr. Kutor László
2012. ősz
Különböző csapok fényérzékenysége tritosz (kék)
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/20
Színek keverése összegző
kivonó
deuterosz (zöld) protosz (vörös)
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/21
2012. ősz
Az emberi szem érzékenysége Csapok és pálcikák érzékenysége
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
Hallás
IRE 2/45/22
Békésy György Nobel díj (1961)
ingerküszöb
Dr. Kutor László
IRE 2/45/23
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/24
A csiga (cochlea) felépítése és működése
Hang ingerküszöb (phone skála)
Belső és külső szőrsejtek a csigában
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
IRE 2/45/25
Dr. Kutor László
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/26
Fejhelyzet és szöggyorsulás érzékelése az állatokban
A hallás jellemzői Hang receptora: Érzéksejtjei:
2012. ősz
Corti szerv (emberben ~33 mm)
belső és külső szőrsejtek
Abszolút ingerküszöb: 10-12 W/m2 (1 kHz), fájdalom: 10 W/m2 Magas hangok a csiga bázisán, mély hangok a csiga csúcsán okoznak ingerületet Érzékelési tartomány: ember 16 Hz - 20 kHz kutya 35 kHz patkány 40 kHz egér 98 kHz delfin 100 kHz Érzékelés tartomány (erősítés) kifejezés dB-ben N [Bell] = log I2/I1 N [dBell] = 10 * log I2/I1 I2 = maximális ingerintenzitás I1 = ingerküszöb 2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
Egyensúly (fej szöggyorsulás) érzékelés
IRE 2/45/27
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/28
A hallás és egyensúlyozás érzékszerve a halántékcsontban
Bárány Róbert Nobel díj (1914)
Félkörös ívjáratok
halántékcsont
Utricukus Sacculus
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/29
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/30
Az érzőszőrök elhelyezkedése „crista”
Fejhelyzet érzékelés
A félkörös ívjáratok „cristáiban”
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/31
Az érzéksejtek működése
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Az otolith szervekben
IRE 2/45/32
Dr. Kutor László
A fejhelyzet (egyensúly) érzékelés jellemzői Emberben az első teljesen kifejlődő érzékszerv Érzékszervei: Statikus fejhelyzet:
Otolith szervekkel Utriculus (tömlőcske) Sacculus (zsákocska) Ingere: fejhelyzet + vibráció 400 Hz-ig
Dinamikus fejmozgás (szöggyorsulás): Fékörös ívjáratok Ingere: lassú rezgés, gyors fej elfordulás Érzékelési tartomány (rezgés) : 0.08 Hz – 32 Hz Érzékenységi küszöb: 0.1°/sec2 Nyugalmi tüzelési frekvencia: 100 – 300 Hz 2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/33
2012. ősz
Testhelyzet érzékelése, szabályozása
Óbudai Egyetem, NIK
IRE 2/45/34
Dr. Kutor László
A bőr érzéksejtjei
(Gamma hurok elve)
Inger modalitások: Nyomás Tapintás Vibráció Hő Fájdalom
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/35
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/36
Receptív mező (kétpont küszöb)
Bőr érzékszervek jellemzői 1. Test-szőrök, mint érzékelők: A szőrtüszőt körülvevő idegvégződések az emelő hatás miatt a legkifinomultabb tapintásra (légmozgásra is) érzékenyek. 3-5o szőr-szögelhajlás ingerületet eredményez.
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/37
2012. ősz
Bőr érzékszervek jellemzői 2.
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
Dr. Kutor László
IRE 2/45/38
Bőr érzékszervek jellemzői 3.
Pacini-test: A bőr alatti zsírszövetekben elhelyezkedő, nyomás érzékeny, vibráció érzékelő Gyorsan adaptálódik Receptív területe 10 mm Vibráció válasza: 64-400Hz Ruffini-végkészülék: A bőr mélyebb rétegében található, a bőr felszínnel párhuzamos elmozdulást (nyújtást) érzékeli. Vibráció válasza: 1-16 Hz Kiterjedt receptív területű Meissner-test: A bőr felszíni rétegeiben a nyomást érzékeli Receptív területe 3-4 mm Vibráció válasza: 8-64 Hz 2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
IRE 2/45/39
Merkel-diszk (tárcsa): A bőr felszínéhez közel, nyomás (élek, alakzatok) érzékelését végzi Vibrációs válasza: 2-32 Hz Receptív területe: 3-4 mm A bőr nyomásérzékenységi küszöbe: 0,5 mikrométer. 100-150 ms-ig tartó bőr deformáció ingerületet vált ki Szabad idegvégződések: Magas ingerküszöbű, nem ingerspecifikus érzékelő (fájdalom)
2012. ősz
A szaglás
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/40
Szaglás
• A kommunikáció legősibb formája (feromonok!) • Sok állatnál a legfontosabb érzék (pl. rovarok, cápák, hiénák,…) • Az emberi viselkedést is jelentősen befolyásolja
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/41
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/42
Az emberi szaglás jellemzői
Illat rendszerek
• A közvetlen agyi kapcsolatok az „ősi” agyterületekhez az un. limbikus rendszerhez Br. területek:
23, 24, 27, 28, 33
Főbb funkciói: érzelmek szabályozása, emlékezés és tanulás vegetatív szabályozás, szexuális szabályozás
• • • • •
A szaglóhám mérete ~4 cm2 (a kutyáé 120 cm2) A feromonok (androstenone és az androstedione) is hatnak az emberre Komplex emlékezet-aktivációt tud kiváltani Szerepet játszik a társválasztásban is Megkülönböztethető illatok száma: 60 000 (800 parfüm)
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/43
Kérdések • Milyen viszonyban áll az embernél az ingerek nagysága és a kiváltott érzet nagysága?
• Milyen arányban szerzi az ingereket a különböző érzékszerveivel az ember?
• Hogyan hatnak az érzelmekre az illatok?
2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/45
Carl von Linné (1707-1778) botanikai hasonlatok Lorry: kámforos, narkotikus, éteres, illó savas, lúgos Bain: tiszta, friss, nyomasztó, undorító, édes, büdös, csípős, éteres, kozmás, étvágygerjesztő Zwardemacker: éters, aromatikus, balzsamos, ámbra-mósusz, alikakodil, égett, kapril, ellenszenves, undorító Henning: fűszer, virág, gyümölcs, gyanta, égett, rothadó Haarmann-Reiner (H&R) női illatok: virágos (zöld, gyümölcs, friss, virágos, aldehides, édes) orientális (ámbrás, fűszeres) ciprus (gyümölcs, virágos-animális, virágos, friss, zöld) férfi illatok: levendula (friss, fűszeres) fougčre „páfrány, haraszt” (friss, virágos, fás, ábrás) ciprus (fás, bőr,, fenyő, friss, zöld) citrus (virágos, friss, zöld) 2012. ősz
Óbudai Egyetem, NIK
Dr. Kutor László
IRE 2/45/44
